DE69601283T2

DE69601283T2 - Strömungsleitenden Vorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE69601283T2
Application number: DE69601283T
Authority: DE
Inventors: Bruce P. Biederman; Aaron J. Gleixner; Charles R. Lejambre; Chad J. Yetka
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2016-05-30
Also published as: US6375419B1; DE69601283D1; EP0745755B1; JPH09105310A; JP3890094B2; EP0745755A1

Description

Die Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen insbesondere ein Strömungsleitelement, beispielsweise eine Statorleitschaufel oder eine Laufschaufel für den Verdichter oder Turbinenabschnitt von derartigen Maschinen.
Moderne Gasturbinenmaschinen verwenden Axialströmungsverdichter oder Zentrifugalverdichter, um Luft auf für die Verbrennung geeignete Druck- und Temperaturwerte zu komprimieren. Der Verdichter lenkt Luft von einem Bereich mit niedrigem Druck an dem Verdichtereinlaß zu einem Bereich mit höherem Druck an dem Verdichterauslaß. Weil Luft natürlicherweise von einem Bereich mit hohem Druck zu einem Bereich mit niedrigem Druck strömt, bedarf der Verdichtungsprozeß eines beträchtlichen Aufwands an Energie und es ist wünschenswert, diesen Aufwand zu minimieren, indem man den Verdichter so effizient wie möglich ausbildet.
Weil die Richtung der Luftströmung durch den Verdichter der Maschine entgegengesetzt zu der natürlichen Tendenz der Luft ist, in Richtung des abnehmenden Drucks zu strömen, sind Verdichter für eine aerodynamische Instabilität, die als Pumpen bezeichnet wird, anfällig. Verdichter-Pumpen ist ein heftiges Ereignis, das eine plötzliche und unvorhergesehen Umkehr der Luftströmungsrichtung durch den Verdichter mit sich bringt. Günstigstenfalls führt das Pumpen zu dem momentanen Verlust von Maschinenleistung gefolgt von einer Wiederaufnahme der normalen Luftströmung durch den Verdichter und normalem Betrieb der Maschine. Bei schwereren Fällen wird die normale Luftströmung durch den Verdichter nicht schnell wiederhergestellt, was zu einem anhaltenden Verlust an Maschinenleistung führt. Außerdem kann der heftige Charakter eines Pumpens die Maschinenkomponenten beschädigen.
Klarerweise ist das Pumpen ein zu vermeidendes Phänomen. Um das Pumpen zu vermeiden, bemühen sich Verdichterkonstrukteure, den Pumpgrenzbereich eines Verdichters zu erhöhen. Wie nachfolgend ausführlicher erläutert werden wird, ist der Pumpgrenzbereich ein Maß für die Widerstandsfähigkeit des Verdichters gegen Pumpen. Unglücklicherweise, und wie es in dem Technikgebiet bekannt ist, führt das Erhöhen des Pumpgrenzbereichs des Verdichters zu einer verringerten Verdichtereffizienz und erhöhtem Kraftstoffverbrauch während andauerndem Betrieb bei einem gleichmäßigen Zustand (steady state) der Maschine.
Benötigt wird eine Einrichtung zum Verbessern des Verdichter- Pumpgrenzbereichs ohne die Effizienz des Verdichters und der Maschine zu beeinträchtigen.
US-A-4,012,172 beschreibt eine Verdichterlaufschaufel mit einer Profilsehne, die von einem Minimalwert an der Strömungsprofilwurzel auf einen größeren Wert bei einem Teilerstreckungsort zwischen der Wurzel und der Spitze des Strömungsprofils zunimmt. Dieses Dokument betrifft jedoch nicht das Verbessern des Verdichter-Pumpgrenzbereichs.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Strömungsprofilbereich einer Laufschaufel oder einer Leitschaufel für eine Turbinenmaschine speziell geformt, um die Luftströmungsgeschwindigkeit über die Erstreckung des Strömungsprofils umzuverteilen. Insbesondere wird gemäß der Erfindung ein Strömungsleitelement für ein Gasturbinentriebwerk oder eine andere Fluidmaschine mit einem gewölbten Strömungsprofilbereich mit einer Vorderkante, einer Hinterkante, einer Wurzel und einer Spitze bereitgestellt, wobei die Profilsehne des Strömungsprofilbereichs generell von einem ersten Wert in der Nähe der Wurzel auf einen zweiten größeren Wert an einem Teilerstreckungsort zwischen der Wurzel und der Spitze zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilsehne von dem Teilerstreckungsort zu der Spitze im wesentlichen konstant ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Teilerstreckungsort vorzugsweise zwischen 25% und 75% der Strömungsprofilerstreckung.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das Verhältnis der Profilsehnenlänge an der Strömungsprofilwurzel zu der Profilsehnenlänge an dem Teilerstreckungsort zwischen 0,7 und 0,9.
Es hat sich gezeigt, daß die Erfindung besonders effektiv ist, wenn sie für eine Statorleitschaufel bei mindestens einigen der festen Stufen eines Axialströmungsverdichters für ein Flugzeuggasturbinentriebwerk verwendet wird.
Der Hauptvorteil der Erfindung ist ihre unerwartete Fähigkeit, den Verdichter-Pumpgrenzbereich zu erhöhen und dabei seine Effizienz bei einem gleichmäßigen Zustand nicht zu verschlechtern.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine vereinfachte Seitenschnittansicht eines Axialströmungsverdichters für eine Turbinenmaschine, welcher Strömungsleitelemente der vorliegenden Erfindung in ausgewählten Verdichterstufen beinhaltet.
Fig. 2 ist ein vereinfachter Auftrag der Verdichterleistung, in der normale und verschlechterte Betriebskurven und Pumpgrenzlinien gezeigt sind.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines festen Verdichterstators gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 4-4 von Fig. 3 genommen ist, und einen beispielhaften Schnitt durch den Teil des Stators mit konstanter Profilsehne zeigt.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 5-5 von Fig. 3 genommen ist und einen beispielhaften Schnitt durch den Teil des Stators mit variabler Profilsehne zeigt.
Fig. 6a ist ein Auftrag der radialen Verteilung der Axialgeschwindigkeit in einem Verdichter mit Strömungsprofilen des Stands der Technik, und zeigt Betrieb sowohl auf einer normalen als auch auf einer erhöhten Betriebskurve.
Fig. 6b ist ein Auftrag der Radialverteilung der Axialgeschwindigkeit in einem Verdichter mit festen Statoren gemäß der vorliegenden Erfindung und zeigt den Betrieb auf normalen und erhöhten Betriebskurven.
Fig. 7 ist ein Auftrag, der den üblicherweise erwarteten Verlust an Verdichtereffizienz bei verbessertem Pumpgrenzbereich und das Beibehalten der Effizienz bei verbessertem Pumpgrenzbereich, wie es der vorliegenden Erfindung zuweisbar ist, zeigt.
Fig. 8 ist eine Seitenansicht einer Verdichterlaufschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, daß ein verringerter Pumpgrenzbereich in einem Verdichter einer Gasturbinenmaschine zumindest zum Teil der verringerten Axialgeschwindigkeit der Luftströmung radial außerhalb der Erstreckungsmitte des Verdichterströmungswegs (insbesondere in der Nähe der Außenwand des Strömungswegs) zuweisbar ist, und daß eine radiale Umverteilung der Luftströmungs-Axialgeschwindigkeit den Pumpgrenzbereich merklich mit wenig oder keinem Effizienzverlust bei normalen Niveaus der Verdichter-Betriebskurve verbessern kann.
Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Ein Gasturbinenmaschinen- Axialströmungsverdichter 10 weist axial alternierende Reihen oder Stufen aus Strömungsleitelementen, beispielsweise nicht rotierende Statorleitschaufeln 12, 12a und rotierende Laufschaufeln 14 auf (es ist nur eine begrenzte Anzahl von Strömungsleitelementen mit Bezugszeichen versehen, um die Klarheit der Figur zu bewahren). Plattformen 16, 18 an den Innenenden der Laufschaufeln und der Leitschaufeln definieren eine Innenwand 20 eines Verdichterströmungswegs 22. Eine Verdichtergehäuseanordnung 24 und äußere Plattformen 25 an einigen der Leitschaufeln definieren eine Außenwand 26 des Verdichterströmungswegs. Die innere und die äußere Wand umschreiben eine Längsmittelachse 27, so daß der Verdichterströmungsweg ringförmig ist. Strömungsprofilbereiche 28 der Laufschaufeln erstrecken sich radial von der Innenwand weg und enden kurz vor der Außenwand, wobei ein kleiner Spalt 29 zwischen jeder Laufschaufelspitze 30 und der Außenwand bleibt. Radial innerhalb der Innenwand ist jede Laufschaufel an einem Rotor 31 befestigt. Beim Betrieb der Maschine rotieren der Rotor und die daran befestigten Laufschaufeln um die Achse. Strömungsprofilbereiche 32 der Leitschaufeln erstrecken sich radial über den Verdichterströmungsweg von der Innenwand zu der Außenwand. Die Leitschaufeln rotieren nicht um die Achse 27 bei dem Betrieb der Maschine. Aber mindestens eine Stufe von Leitschaufeln kann an Stützen 34 abgestützt sein, und jede so abgestützte Leitschaufel ist um eine radiale Achse 35 schwenkbar. Die schwenkbaren Leitschaufeln 12 werden als variable Leitschaufeln bezeichnet. Jede variable Leitschaufel ist mit einem Verbindungsarm 36 mit einem Synchronring 38 verbunden, der sich umfangsmäßig um den Verdichter erstreckt. Nicht gezeigte Betätiger verlagern die Synchronringe umfangsmäßig, um ein Schwenken der variablen Leitschaufeln zu bewirken. Solche Leitschaufeln wie die 12a, die nicht schwenkbar sind, werden als feste Leitschaufeln bezeichnet.
Beim Betrieb einer Maschine wird ein Strom von kühler, Niederdruckluft 50 in den Einlaß 52 des Verdichters gezogen. Die Luft wird komprimiert und axial nach hinten durch das Zusammenwirken der Laufschaufeln und Leitschaufeln gelenkt. Heiße Hochdruckluft tritt aus dem Verdichterauslaß 54 aus. Weil der Verdichter ein Strömen der Luft in Richtung zunehmenden Drucks erzwingt, ist der Verdichter für das vorangehend beschriebene Problem des Pumpens anfällig.
Die Verdichterleistung wird typischerweise durch Bezugnahme auf ein Verdichterdiagramm, wie in Fig. 2 gezeigt, beschrieben. Das Diagramm zeigt das Druckverhältnis über den Verdichter (d.h. das Verhältnis von Druck am Verdichterauslaß zum Druck am Verdichtereinlaß) als Funktion der Massendurchsatzrate durch den Verdichter. Eine Betriebskurve 60 ist ein Ort der normalen Betriebsbedingungen bei gleichmäßigem Zustand des Verdichters. Eine Pumpgrenze 62 definiert einen Ort von Zuständen an denen oder über denen es zu einem Pumpen der Maschine kommen wird. Der Pumpgrenzbereich ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit des Verdichters gegen ein Pumpen, und man kann ihn sich als die vertikale Strecke 64 zwischen der Betriebskurve und der Pumpgrenze bei konstanter Luftströmung vorstellen. Der Pumpgrenzbereich wird typischerweise in Prozent des Verdichterdruckverhältnisses bei der Betriebskurve ausgedrückt. Während der Lebensdauer einer Maschine bewirkt die Verschlechterung der Maschine eine kontinuierliche und permanente Verminderung des Pumpgrenzbereichs der Maschine, das heißt, die Pumpgrenze nimmt ab (wie durch die verschlechterte Pumpgrenze 62a relativ zu der Pumpgrenze 62 gezeigt) und/oder die Betriebskurve erhöht sich (wie durch die verschlechterte Betriebskurve 60a bezogen auf die Betriebskurve 60 gezeigt). Zu einem zeitweisen aber beträchtlichen Verlust an Pumpgrenzbereich kommt es auch während bestimmter Übergangsereignisse, beispielsweise schnellen Maschinenleistungsänderungen oder Betrieb der Maschine bei Querwinden. Oft manifestieren sich diese Übergangsverluste als temporärer Betrieb bei Betriebskurvenniveaus deutlich oberhalb der normalen Betriebskurve. Konstrukteure bemühen sich, einen breiten Pumpgrenzbereich für gleichmäßigen Betrieb bereitzustellen, um diese unausweichlichen Verluste bei dem Pumpgrenzbereich unterzubringen. Leider, und das ist bekannt, werden Verbesserungen bei dem Pumpgrenzbereich bei gleichmäßigem Zustand auf Kosten verringerter Verdichter- und Maschineneffizienz bei normalen Niveaus der Verdichterbetriebskurve erzielt. Andererseits verringern Verbesserungen bei der Effizienz den Pumpgrenzbereich.
Die vorliegende Erfindung hat den einmaligen unüblichen und höchst erwünschten Effekt des Verbesserns des Verdichter-Pumpgrenzbereichs mit wenig oder keinem Verlust bei der Verdichtereffizienz bei normalen Niveaus der Verdichter-Betriebskurve. Bei einer experimentellen Evaluation war der Pumpgrenzbereich merklich verbessert und die Effizienz nahm tatsächlich etwas zu.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine feste Statorleitschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Leitschaufel weist einen Strömungsprofilbereich 70 und eine integrale innere und eine integrale äußere Plattform 72, 74 auf. Haken 76 an der inneren Plattform sind zum Befestigen der Luftdichtungen an der Leitschaufel vorgesehen. Die Luftdichtungen sind von der Erfindung nicht umfaßt und deshalb nicht gezeigt. Füße 78 an der äußeren Plattform schaffen ein Mittel zum Befestigen der Leitschaufel an der Gehäuseanordnung (Fig. 1).
Der Strömungsprofilabschnitt hat eine Vorderkante 80, eine Hinterkante 82, eine Wurzel 84 an dem Übergang von Strömungsprofil zu innerer Plattform, und eine Spitze 88 an dem Übergang von Strömungsprofil zu der äußeren Plattform. Eine imaginäre Profilsehnenlinie 90 erstreckt sich von der Vorderkante 80 zu der Hinterkante 82. Die Länge der Profilsehnenlinie wird als die Profilsehne des Strömungsprofils bezeichnet. Das Strömungsprofil ist gekrümmt oder gewölbt, so daß eine Seite, die als die Druckfläche 100 bezeichnet wird, konkav ist und die andere Seite, die als die Sogfläche 102 bezeichnet wird, konvex ist. Eine Wölbungsmittellinie 104 ist der Ort von Punkten in der Mitte zwischen der Druck- und der Sogseite, gemessen rechtwinklig zu der Wölbungsmittellinie. Die Strömungsprofilkrümmung wird durch ihre Wölbung 106 quantifiziert, welche die maximale Abweichung der Wölbungsmittellinie von der Profilsehnenlinie ist. Die Wölbung wird häufig als eine Prozentangabe der Profilsehne ausgedrückt. Die Strömungsprofilerstreckung 108 ist die Strecke entlang des Strömungsprofils von der Wurzel zu der Spitze.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Profilsehne des Strömungsprofils variabel. Die Profilsehne nimmt generell von einem ersten Wert an der Wurzel auf einen zweiten größeren Wert an einem Teilerstreckungsort 110 zwischen der Wurzel und der Spitze zu, so daß, wenn das Strömungsprofil in einem Verdichter installiert ist, der Ort der Vorderkante näher an dem Verdichterauslaß kommt, je mehr der Abstand in Erstreckungsrichtung von der Wurzel zunimmt. Der Bereich des Strömungsprofils zwischen der Wurzel und dem Teilerstreckungsort wird als reduzierter Profilsehnenbereich oder variabler Profilsehnenbereich des Strömungsprofils bezeichnet. Die Profilsehne ist von dem Teilerstreckungsort zu der Spitze generell konstant. Die Vorderkante des Strömungsprofils ist, in der Maschine installiert, generell radial, wenn man sie in der Seitenansicht (wie in den Fig. 1 und 3) betrachtet. Aber der Nutzen der Erfindung erstreckt sich auf Strömungsprofile, deren Vorderkante in einer Ansicht von vorne betrachtet umfangsmäßig gebogen ist. Ein Beispiel eines derartigen Strömungsprofils ist in dem US Patent 5,088,892 beschrieben und beansprucht, das Weingold et al. erteilt wurde und auf die Anmelderin übertragen wurde.
Der verbesserte Pumpgrenzbereich, der mit dem Strömungsprofil mit variabler Profilsehne verbunden ist, ergibt sich zumindest zum Teil infolge einer radialen Umverteilung der Axialgeschwindigkeit der Luftströmung durch den Verdichterströmungsweg, wie in den Fig. 6a und 6b gezeigt.
Die Fig. 6a zeigt rechnerisch abgeschätzte Axialluftströmungsgeschwindigkeiten als eine Funktion in Abhängigkeit von einer Prozentangabe der Strömungsprofilerstreckung an dem Auslaß eines Verdichters mit Strömungsprofilen des Stands der Technik. Der Verdichter hat elf Stufen rotierender Laufschaufeln und zwölf Stufen nicht rotierender Leitschaufeln, wobei die ersten vier Stufen der Leitschaufeln variable Leitschaufeln und die letzten acht Stufen feste Leitschaufeln sind. Der Betrieb sowohl auf einer normalen Betriebskurve als auch auf einer Betriebskurve 11% über normal sind gezeigt. Die Figur zeigt, daß bei den Strömungsprofilen des Stands der Technik die Axialgeschwindigkeit in der Nähe der Strömungsprofilwurzel generell maximal ist und auf einem geringeren Wert an der Spitze abnimmt. Die Reduktion der Axialgeschwindigkeit mit zunehmender Erstreckung ist bei der erhöhten Betriebskurve besonders ausgeprägt.
Fig. 6b zeigt eine ähnliche Abschätzung der Axialströmungsgeschwindigkeit in einem Verdichter, der Leitschaufeln gemäß der vorliegenden Erfindung in der ersten bis zur siebten Stufe der acht festen Stufen von Leitschaufeln hat. Abschätzungen sind gezeigt für eine normale Betriebskurve sowie für erhöhte Betriebskurven bei 13% und 26% über normal (Geschwindigkeiten für eine 11% erhöhte Betriebskurve sind interpoliert, um einen direkten Vergleich mit Fig. 6 zu erleichtern). Die Figuren demonstrieren, daß das Strömungsprofil mit variabler Profilsehne die axiale Luftströmungsgeschwindigkeiten so umverteilt, daß die Geschwindigkeiten im Vergleich mit den Geschwindigkeiten bei Strömungsprofilen des Stands der Technik an der Wurzel des Strömungsprofils niedriger sind und an der Spitze, d. h. nahe bei der Außenwand des Strömungswegs, höher sind.
Die Bedeutung der erhöhten Axialgeschwindigkeit in der Nähe der Außenwand des Strömungswegs erkennt man, wenn man den Effekt des Spielspalts 29 (Fig. 1) zwischen der Spitze einer jeden rotierenden Laufschaufel und der Außenwand des Strömungswegs betrachtet. Luft, die der Druckfläche einer jeden Laufschaufel benachbart ist, leckt durch den Spalt auf die Sogseite des Strömungsprofils und erzeugt dabei einen Spitzenleckströmungswirbel. Der Spitzenleckströmungswirbel blockiert zum Teil die Strömung von Luft in der Nähe der Außenwand. Das Blockieren wird zunehmend mit der Anhebung der Betriebskurve bedeutsam. Wenn die Axialgeschwindigkeit der von den Statorspitzen kommenden Luft gering ist, wie das bei den Statoren des Stands der Technik der Fall ist, kann ein dem Spitzenleckströmungswirbel zuweisbares Blockieren schwierig überwunden werden und kann zu einem aerodynamischen Abriß der Laufschaufelspitzen führen. Der Spitzenabriß kann sich leicht zu einem Verdichterpumpen entwickeln. Dagegen erzeugt die Verwendung von Statoren gemäß der vorliegenden Erfindung höhere Axialgeschwindigkeiten in der Nähe der Laufschaufelspitzen und hilft, den Spitzenspielwirbel zu überwinden.
Es wird wieder auf die Fig. 4 und 5 Bezug genommen. Die Einrichtung, mittels derer das Strömungsprofil mit variabler Profilsehne die Luftströmungsgeschwindigkeit umverteilt, wird bezüglich der durch die Leitschaufel vermittelten Änderung in der Strömungsrichtung beschrieben. Der Teil der Leitschaufel mit konstanter Profilsehne (Fig. 5) dreht die Strömung aus ihrer Einströmrichtung d1, die einen Winkel a1 zu der Axialrichtung bildet, zu einer Austrittsrichtung d2 mit einem Winkel a2 bezogen auf die Axialrichtung. Der Teil mit verringerter Profilsehne (Fig. 4) dreht die Strömung aus der Richtung d1 in die Richtung d3 mit einem Winkel a3 relativ zu der Axialrichtung. Weil der Teil mit verringerter Profilsehne eine geringere Krümmung oder Wölbung 106 als der Teil mit konstanter Profilsehne hat, ist die Richtung d3 in der Nähe der Strömungsprofilwurzel beträchtlich weiter aus der Axialrichtung als d2. Natürlich ist an Erstreckungsorten die von der Wurzel weiter entfernt sind, die Richtung d3 enger an der Axialrichtung, und am Ort 110, sind die Richtungen d2 und d3 die gleichen. Weil der Teil mit variabler Profilsehne die Strömung nicht so weit zu der Axialrichtung dreht, wie es der Teil mit konstanter Profilsehne tut, muß die Axialgeschwindigkeit an den Teil mit konstanter Profilsehne zunehmen, um die Volumendurchsatzrate durch den Verdichter beizubehalten.
Fig. 7 zeigt das Verhältnis zwischen dem Pumpgrenzbereich und der Verdichtereffizienz bei normalen Betriebskurvenniveaus. Ein schraffiertes Band 112 zeigt den gewöhnlich erwarteten Verlust an Effizienz bei verbessertem Pumpgrenzbereich. Die Datenpunkte 114, 116 und 118 zeigen Testergebnisse von Verdichtern mit und ohne Strömungsprofile mit variabler Profilsehne. Zur experimentellen Erleichterung wurden diese Verdichter isoliert getestet, statt in einer Turbinenmaschine installiert zu sein. Der Datenpunkt 114 zeigt die Effizienz und den Pumpgrenzbereich eines Verdichters mit Strömungsprofilen des Stands der Technik, d. h. einen Verdichter, dessen Geschwindigkeitsprofil in der Fig. 6a gezeigt ist. Der Punkt 118 zeigt einen Verdichter mit sieben Stufen von festen Strömungsprofilen gemäß der vorliegenden Erfindung (d. h. ein Verdichter, dessen Geschwindigkeitsprofil in Fig. 6b gezeigt ist). Punkt 116 entspricht einem ähnlichen Verdichter, bei dem die Statoren der ersten bis zur vierten Stufe der acht Stufen von festen Statoren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind. Schließlich bestätigt der Punkt 119 die Gültigkeit des isolierten Testens des Verdichters, indem es die Leistung zeigt, die mit einem Verdichter des Datenpunktes 118 installiert in einer Turbinenmaschine beobachtet wurde.
Wie aus der Fig. 7 völlig klar ist, verbessern die Statoren der vorliegenden Erfindung nicht nur den Pumpgrenzbereich, sondern sie tun das auch ohne die Effizient bei oder in der Nähe der normalen Betriebskurve zu beeinträchtigen - ein Ergebnis, das zu der durch das Band 112 gezeigten Erwartung gegensätzlich ist. Das Verringern der Profilsehne bei dem Teil des Strömungsprofils mit verringerter Profilsehne ist klein genug, daß an oder nahe bei dem normalen Niveau der Verdichterbetriebskurve kein merklicher Verlust an Verdichtereffizienz auftritt. Bei Betriebskurvenniveaus, die deutlich höhere als die normale Betriebskurve sind, tritt etwas Effizienzverlust auf. Aber dieser Verlust ist folgenlos, da man auf solche Betriebskurvenniveaus normalerweise nur bei Übergangszuständen trifft, beispielsweise während eines schnellen Übergangs zwischen zwei stabilen Betriebszuständen. Die kurzen Zeitintervalle, die verbracht werden bei einem Betrieb auf diesen erhöhten Betriebskurvenniveaus beeinflussen die Leistung bei gleichmäßigem Betrieb des Verdichters nicht signifikant, der normalerweise bei oder nahe bei der normalen Betriebskurve arbeitet.
Obwohl sich die vorangehende Diskussion auf Statorleitschaufeln bezieht, erwartet man, daß Verdichterlaufschaufeln, die gemäß der Erfindung konstruiert sind, einen ähnlich positiven Effekt zeigen. Fig. 8 zeigt eine Verdichterlaufschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Laufschaufel weist einen Strömungsprofilabschnitt 120 und eine integrale innere Plattform 122 auf. Eine Befestigungseinrichtung 124 radial innerhalb von der inneren Plattform ist zum Befestigen der Laufschaufel an einem Rotor vorgesehen. Der Strömungsprofilabschnitt hat eine Vorderkante 126, eine Hinterkante 128, eine Wurzel 130 an dem Übergang von dem Strömungsprofil zu der inneren Plattform, und eine Spitze 132 ganz außen am äußeren Ende des Strömungsprofils. Wie bei dem Stator von Fig. 3 ist die Profilsehne des Strömungsprofils variabel. Die Profilsehne nimmt generell von einem ersten Wert an der Wurzel auf einen zweiten größeren Wert bei einem Teilerstreckungsort 134 zwischen der Wurzel und der Spitze zu. Die Profilsehne ist von dem Teilserstreckungsort bis zu der Spitze generell konstant.
Analytische und experimentelle Evaluationen von Statorleitschaufeln, die gemäß der Erfindung konstruiert sind, legen nahe, daß sich der Teilerstreckungsort 110 vorzugsweise zwischen 25% und 75% der Erstreckung des Strömungsprofils befindet, obwohl man davon ausgeht, daß jeglicher anderer Teilerstreckungsort zwischen S % und 9S % der Erstreckung des Strömungsprofils gute Ergebnisse bringen wird. Bei der besten Ausführungsform, die zum Ausführen der Erfindung in Erwägung gezogen wurde, ist der Teilerstreckungsort 50% der Erstreckung des Strömungsprofils. Wie durch die Datenpunkte 114, 116, 118 und 119 in Fig. 7 gezeigt, ergibt eine Zunahme bei der Anzahl von Stufen von festen Leitschaufeln mit variabler Profilsehne eine korrespondierende Zunahme bei dem Verdichter-Pumpgrenzbereich.
In vielen Fällen kann die Verdichterstufe, die am wahrscheinlichsten ein Verdichterpumpen auslöst, durch Testen oder Analyse identifiziert werden. In solchen Fällen ist es am günstigsten, wenn die erste der einen oder mehreren Stufen mit Strömungsleitelementen mit variabler Profilsehne sich mindestens eine Stufe strömungsaufwärts (d. h. in Richtung zu dem Verdichtereinlaß) von der identifizierten Stufe befindet. Eine derartige Anordnung stellt sicher, daß die radiale Umverteilung der Axialgeschwindigkeit ausreichend Zeit und axiale Strecke zur Verfügung hat, um völlig entwickelt und stabilisiert zu werden.
Analysen und experimentelle Versuche haben auch ergeben, daß das Verhältnis des ersten Werts der Profilsehne (an der Wurzel) zu dem zweiten Wert der Profilsehne (an dem Teilerstreckungsort) zwischen 0,7 und 0,9 ist, d. h. die Profilsehne der Wurzel beträgt 70% bis 90% der maximalen Profilsehne. Bei der besten Ausführungsform, die zum Ausführen der Erfindung in Erwägung gezogen wurde, ist das Verhältnis 0,8.
Obwohl die Erfindung im Kontext eines Axialströmungsverdichters für eine Gasturbinenmaschine beschrieben wurde, umfaßt die Anwendbarkeit der Erfindung mit Laufschaufeln versehene Verdichter, einschließlich Zentrifugalverdichter für jegliche Anwendung. Außerdem ist die Erfindung auch für Turbinen nützlich, obwohl Turbinen normalerweise mit reichlich Pumpgrenzbereich arbeiten und deshalb die Pumpgrenzbereich-Steigerung möglicherweise nicht benötigen, die durch die Erfindung geleistet wird.

Claims

1. Strömungsleitelement für ein Gasturbinentriebwerk oder eine andere Fluidmaschine, aufweisend einen gewölbten Strömungsprofilbereich (70; 120) mit einer Vorderkante (80; 126), einer Hinterkante (82; 128), einer Wurzel (84; 130) und einer Spitze (88; 132), wobei die Profilsehne des Strömungsprofilbereichs (70; 120) generell von einem ersten Wert in der Nähe der Wurzel (84; 130) auf einen zweiten größeren Wert bei einem Teilerstreckungsort (110, 134) zwischen der Wurzel (84; 130) und der Spitze (88; 132) zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilsehne von dem Teilerstreckungsort (110, 134) zu der Spitze (88; 132) im wesentlichen konstant ist.

2. Strömungsleitelement nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Teilerstreckungsort (110; 134) sich zwischen 5% und 95% der Strömungsprofilerstreckung befindet.

3. Strömungsleitelement nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Teilerstreckungsort (110; 134) sich zwischen 25% und 75% der Strömungsprofilerstreckung befindet.

4. Strömungsleitelement nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß sich der Teilerstreckungsort (110; 134) etwa bei 50% der Strömungsprofilerstreckung befindet.

5. Strömungsleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des ersten Werts zu dem zweiten Wert zwischen 0,7 und 0,9 ist.

6. Strömungsleitelement nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des ersten Werts zu dem zweiten Wert etwa 0,8 beträgt.

7. Strömungsleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsleitelement eine Statorleitschaufel ist.

8. Strömungsleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsleitelement eine Verdichterlaufschaufel ist.

9. Axialströmungsverdichter für eine Gasturbinenmaschine, wobei der Verdichter mindestens eine Reihe aus nicht rotierenden Statorleitschaufeln (12; 12a) und mindestens eine Reihe aus Laufschaufeln (14) aufweist, wobei die Reihen von Laufschaufeln um eine Längsmittelachse (27) drehbar sind, wobei die Statoren (12) von mindestens einer Statorreihe feste Statoren sind, wobei die Statoren in allen anderen Statorreihen als der mindestens einen Reihe mit festen Statoren variable Statoren sind, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Statoren (12a) in mindestens einer Reihe von festen Statoren so ausgebildet sind, wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht.

10. Fluidmaschine aufweisend ein Strömungsleitelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.